面試：在面試中關於List（ArrayList、LinkedList）集合會怎麼問呢？你該如何回答呢？

2020 年 6 月 14 日
筆記
面試

前言

在一開始基礎面的時候，很多面試官可能會問List集合一些基礎知識，比如：

ArrayList默認大小是多少，是如何擴容的？
ArrayList和LinkedList的底層數據結構是什麼？
ArrayList和LinkedList的區別？分別用在什麼場景？
為什麼說ArrayList查詢快而增刪慢？
Arrays.asList方法後的List可以擴容嗎？
modCount在非執行緒安全集合中的作用？
ArrayList和LinkedList的區別、優缺點以及應用場景

ArrayList(1.8)

ArrayList是由動態再分配的Object[]數組作為底層結構，可設置null值，是非執行緒安全的。

ArrayList成員屬性

//默認的空的數組，在構造方法初始化一個空數組的時候使用
private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//使用默認size大小的空數組實例
private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

//ArrayList底層存儲數據就是通過數組的形式，ArrayList長度就是數組的長度。
transient Object[] elementData; 

//arrayList的大小
private int size;

那麼ArrayList底層數據結構是什麼呢？

很明顯，使用動態再分配的Object[]數組作為ArrayList底層數據結構了，既然是使用數組實現的，那麼數組特點就能說明為什麼ArrayList查詢快而增刪慢？

因為數組是根據下標查詢不需要比較，查詢方式為：首地址＋（元素長度＊下標），基於這個位置讀取相應的位元組數就可以了，所以非常快；但是增刪會帶來元素的移動，增加數據會向後移動，刪除數據會向前移動，導致其效率比較低。

ArrayList的構造方法

帶有初始化容量的構造方法
無參構造方法
參數為Collection類型的構造器

//帶有初始化容量的構造方法
public ArrayList(int initialCapacity) {
    //參數大於0，elementData初始化為initialCapacity大小的數組
    if (initialCapacity > 0) {
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
    //參數小於0，elementData初始化為空數組
    } else if (initialCapacity == 0) {
        this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
    //參數小於0，拋出異常
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+
                                           initialCapacity);
    }
}

//無參構造方法
public ArrayList() {
    //在1.7以後的版本，先構造方法中將elementData初始化為空數組DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
    //當調用add方法添加第一個元素的時候，會進行擴容,擴容至大小為DEFAULT_CAPACITY=10
    this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
}

那麼ArrayList默認大小是多少？

從無參構造方法中可以看出，一開始默認為一個空的實例elementData為上面的DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA，當添加第一個元素的時候會進行擴容，擴容大小就是上面的默認容量DEFAULT_CAPACITY為10

ArrayList的Add方法

boolean add(E)：默認直接在末尾添加元素
void add(int，E)：在特定位置添加元素，也就是插入元素
boolean addAll(Collection<? extends E> c)：添加集合
boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)：在指定位置後添加集合

boolean add(E)

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}

通過ensureCapacityInternal方法為確定容量大小方法。在添加元素之前需要確定數組是否能容納下，size是數組中元素個數，添加一個元素size+1。然後再數組末尾添加元素。

其中，ensureCapacityInternal方法包含了ArrayList擴容機制grow方法，當前容量無法容納下數據時1.5倍擴容，進行：

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    //判斷當前的數組是否為默認設置的空數據，是否取出最小容量
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        minCapacity = Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    //包括擴容機制grow方法
    ensureExplicitCapacity(minCapacity);
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
        //記錄著集合的修改次數，也就每次add或者remove它的值都會加1
        modCount++;

        //當前容量容納不下數據時（下標超過時），ArrayList擴容機制：擴容原來的1.5倍
        if (minCapacity - elementData.length > 0)
            grow(minCapacity);
    }

private void grow(int minCapacity) {
        // overflow-conscious code
        int oldCapacity = elementData.length;
        //ArrayList擴容機制：擴容原來的1.5倍
        int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        if (newCapacity - MAX_ARRAY_SIZE > 0)
            newCapacity = hugeCapacity(minCapacity);
        // minCapacity is usually close to size, so this is a win:
        elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
    }

ArrayList是如何擴容的？

根據當前的容量容納不下新增數據時，ArrayList會調用grow進行擴容：

//相當於int newCapacity = oldCapacity + oldCapacity/2
int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);

擴容原來的1.5倍。

void add(int，E)

public void add(int index, E element) {
    //檢查index也就是插入的位置是否合理,是否存在數組越界
    rangeCheckForAdd(index);
    //機制和boolean add(E)方法一樣
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
}

ArrayList的刪除方法

remove(int)：通過刪除指定位置上的元素，
remove(Object)：根據元素進行刪除，
clear()：將elementData中每個元素都賦值為null，等待垃圾回收將這個給回收掉，
removeAll(collection c)：批量刪除。

remove(int)

public E remove(int index) {
    //檢查下標是否超出數組長度，造成數組越界
    rangeCheck(index);

    modCount++;
    E oldValue = elementData(index);
    //算出數組需要移動的元素數量
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        //數組數據遷移，這樣會導致刪除數據時，效率會慢
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    //將--size上的位置賦值為null，讓gc(垃圾回收機制)更快的回收它。
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
    //返回刪除的元素
    return oldValue;
}

為什麼說ArrayList刪除元素效率低？

因為刪除數據需要將數據後面的元素數據遷移到新增位置的後面，這樣導致性能下降很多，效率低。

remove(Object)

public boolean remove(Object o) {
    //如果需要刪除數據為null時，會讓數據重新排序，將null數據遷移到數組尾端
    if (o == null) {
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                //刪除數據，並遷移數據
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        //循環刪除數組中object對象的值，也需要數據遷移
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

可以看出，arrayList是可以存放null值。

LinkedList(1.8)

LinkedList是一個繼承於AbstractSequentialList的雙向鏈表。它也可以被當做堆棧、隊列或雙端隊列進行使用，而且LinkedList也為非執行緒安全， jdk1.6使用的是一個帶有 header節頭結點的雙向循環鏈表，頭結點不存儲實際數據，在1.6之後，就變更使用兩個節點first、last指向首尾節點。

LinkedList的主要屬性

//鏈表節點的個數 
transient int size = 0; 
//鏈表首節點
 transient Node<E> first; 
//鏈表尾節點
 transient Node<E> last; 
//Node節點內部類定義
private static class Node<E> {
        E item;
        Node<E> next;
        Node<E> prev;

        Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
            this.item = element;
            this.next = next;
            this.prev = prev;
        }
    }

一旦變數被transient修飾，變數將不再是對象持久化的一部分，該變數內容在序列化後無法獲得訪問

LinkedList構造方法

無參構造函數，默認構造方法聲明也不做，first和last節點會被默認初始化為null。

*
/** Constructs an empty list. \*/*

public LinkedList() {}

LinkedList插入

由於LinkedList由雙向鏈表作為底層數據結構，因此其插入無非由三大種

尾插： add(E e)、addLast(E e)、addAll(Collection<? extends E> c)

頭插： addFirst(E e)
中插： add(int index, E element)

可以從源碼看出，在鏈表首尾添加元素很高效，在中間添加元素比較低效，首先要找到插入位置的節點，在修改前後節點的指針。

尾插-add(E e)和addLast(E e)

//常用的添加元素方法
public boolean add(E e) {
    //使用尾插法
    linkLast(e);
    return true;
}

//在鏈表尾部添加元素
public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }

//在鏈表尾端添加元素
void linkLast(E e) {
        //尾節點
        final Node<E> l = last;
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        last = newNode;
        //判斷是否是第一個添加的元素
        //如果是將新節點賦值給last
        //如果不是把原首節點的prev設置為新節點
        if (l == null)
            first = newNode;
        else
            l.next = newNode;
        size++;
        //將集合修改次數加1
        modCount++;
    }

頭插-addFirst(E e)

public void addFirst(E e) {
    //在鏈表頭插入指定元素
    linkFirst(e);
}

private void linkFirst(E e) {
         //獲取頭部元素,首節點
        final Node<E> f = first;
        final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
        first = newNode;
        //鏈表頭部為空，（也就是鏈表為空）
        //插入元素為首節點元素
        // 否則就更新原來的頭元素的prev為新元素的地址引用
        if (f == null)
            last = newNode;
        else
            f.prev = newNode;
        //
        size++;
        modCount++;
    }

中插-add(int index, E element)

當index不為首尾的的時候，實際就在鏈表中間插入元素。

 // 作用：在指定位置添加元素
    public void add(int index, E element) {
        // 檢查插入位置的索引的合理性
        checkPositionIndex(index);

        if (index == size)
            // 插入的情況是尾部插入的情況：調用linkLast（）。
            linkLast(element);
        else
            // 插入的情況是非尾部插入的情況（中間插入）：linkBefore
            linkBefore(element, node(index));
    }

    private void checkPositionIndex(int index) {
        if (!isPositionIndex(index))
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }

    private boolean isPositionIndex(int index) {
        return index >= 0 && index <= size;
    }

    void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
        // assert succ != null;
        final Node<E> pred = succ.prev;  // 得到插入位置元素的前繼節點
        final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);  // 創建新節點，其前繼節點是succ的前節點，後接點是succ節點
        succ.prev = newNode;  // 更新插入位置（succ）的前置節點為新節點
        if (pred == null)
            // 如果pred為null，說明該節點插入在頭節點之前，要重置first頭節點 
            first = newNode;
        else
            // 如果pred不為null，那麼直接將pred的後繼指針指向newNode即可
            pred.next = newNode;
        size++;
        modCount++;
    }

LinkedList 刪除

刪除和插入一樣，其實本質也是只有三大種方式，

刪除首節點:removeFirst()
刪除尾節點:removeLast()
刪除中間節點：remove(Object o)、remove(int index)

在首尾節點刪除很高效，刪除中間元素比較低效要先找到節點位置，再修改前後指針指引。

刪除中間節點-remove(int index)和remove(Object o)

remove(int index)和remove(Object o)都是使用刪除指定節點的unlink刪除元素

 public boolean remove(Object o) {
     //因為LinkedList允許存在null，所以需要進行null判斷        
     if (o == null) {
         //從首節點開始遍歷
         for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
             if (x.item == null) {
                 //調用unlink方法刪除指定節點
                 unlink(x);
                 return true;
             }
         }
     } else {
         for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
             if (o.equals(x.item)) {
                 unlink(x);
                 return true;
             }
         }
     }
    return false;
 } 

//刪除指定位置的節點，其實和上面的方法差不多
    //通過node方法獲得指定位置的節點，再通過unlink方法刪除
    public E remove(int index) {
        checkElementIndex(index);
       
        return unlink(node(index));
    }

 //刪除指定節點
    E unlink(Node<E> x) {
        //獲取x節點的元素，以及它上一個節點，和下一個節點
        final E element = x.item;
        final Node<E> next = x.next;
        final Node<E> prev = x.prev;
        //如果x的上一個節點為null，說明是首節點，將x的下一個節點設置為新的首節點
        //否則將x的上一節點設置為next，將x的上一節點設為null
        if (prev == null) {
            first = next;
        } else {
            prev.next = next;
            x.prev = null;
        }
        //如果x的下一節點為null，說明是尾節點，將x的上一節點設置新的尾節點
        //否則將x的上一節點設置x的上一節點，將x的下一節點設為null
        if (next == null) {
            last = prev;
        } else {
            next.prev = prev;
            x.next = null;
        }
        //將x節點的元素值設為null，等待垃圾收集器收集
        x.item = null;
        //鏈表節點個數減1
        size--;
        //將集合修改次數加1
        modCount++;
        //返回刪除節點的元素值
        return element;
    }

刪除首節點-removeFirst()

//刪除首節點
public E remove() {
        return removeFirst();
    }
 //刪除首節點
 public E removeFirst() {
      final Node<E> f = first;
      //如果首節點為null，說明是空鏈表，拋出異常
      if (f == null)
          throw new NoSuchElementException();
      return unlinkFirst(f);
  }
  //刪除首節點
  private E unlinkFirst(Node<E> f) {
      //首節點的元素值
      final E element = f.item;
      //首節點的下一節點
      final Node<E> next = f.next;
      //將首節點的元素值和下一節點設為null，等待垃圾收集器收集
      f.item = null;
      f.next = null; // help GC
      //將next設置為新的首節點
      first = next;
      //如果next為null，說明說明鏈表中只有一個節點，把last也設為null
      //否則把next的上一節點設為null
      if (next == null)
          last = null;
      else
          next.prev = null;
      //鏈表節點個數減1
      size--;
      //將集合修改次數加1
      modCount++;
      //返回刪除節點的元素值
      return element;
 }

刪除尾節點-removeLast()

 //刪除尾節點
    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        //如果首節點為null，說明是空鏈表，拋出異常
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }
    private E unlinkLast(Node<E> l) {
        //尾節點的元素值
        final E element = l.item;
        //尾節點的上一節點
        final Node<E> prev = l.prev;
        //將尾節點的元素值和上一節點設為null，等待垃圾收集器收集
        l.item = null;
        l.prev = null; // help GC
        //將prev設置新的尾節點
        last = prev;
        //如果prev為null，說明說明鏈表中只有一個節點，把first也設為null
        //否則把prev的下一節點設為null
        if (prev == null)
            first = null;
        else
            prev.next = null;
        //鏈表節點個數減1
        size--;
        //將集合修改次數加1
        modCount++;
        //返回刪除節點的元素值
        return element;
    }

其他方法也是類似的，比如查詢方法 LinkedList提供了get、getFirst、getLast等方法獲取節點元素值。

modCount屬性的作用？

modCount屬性代表為結構性修改（改變list的size大小、以其他方式改變他導致正在進行迭代時出現錯誤的結果）的次數，該屬性被Iterator以及ListIterator的實現類所使用，且很多非執行緒安全使用modCount屬性。

初始化迭代器時會給這個modCount賦值，如果在遍歷的過程中，一旦發現這個對象的modCount和迭代器存儲的modCount不一樣，Iterator或者ListIterator 將拋出ConcurrentModificationException異常，

這是jdk在面對迭代遍歷的時候為了避免不確定性而採取的 fail-fast（快速失敗）原則：

在執行緒不安全的集合中，如果使用迭代器的過程中，發現集合被修改，會拋出ConcurrentModificationExceptions錯誤，這就是fail-fast機制。對集合進行結構性修改時，modCount都會增加，在初始化迭代器時，modCount的值會賦給expectedModCount，在迭代的過程中，只要modCount改變了，int expectedModCount = modCount等式就不成立了，迭代器檢測到這一點，就會拋出錯誤：urrentModificationExceptions。

總結

ArrayList和LinkedList的區別、優缺點以及應用場景

區別：

ArrayList是實現了基於動態數組的數據結構，LinkedList是基於鏈表結構。
對於隨機訪問的get和set方法查詢元素，ArrayList要優於LinkedList，因為LinkedList循環鏈表尋找元素。
對於新增和刪除操作add和remove，LinkedList比較高效，因為ArrayList要移動數據。

優缺點：

對ArrayList和LinkedList而言，在末尾增加一個元素所花的開銷都是固定的。對ArrayList而言，主要是在內部數組中增加一項，指向所添加的元素，偶爾可能會導致對數組重新進行分配；而對LinkedList而言，這個開銷是統一的，分配一個內部Entry對象。
在ArrayList集合中添加或者刪除一個元素時，當前的列表移動元素後面所有的元素都會被移動。而LinkedList集合中添加或者刪除一個元素的開銷是固定的。
LinkedList集合不支援高效的隨機隨機訪問（RandomAccess），因為可能產生二次項的行為。
ArrayList的空間浪費主要體現在在list列表的結尾預留一定的容量空間，而LinkedList的空間花費則體現在它的每一個元素都需要消耗相當的空間

應用場景:

ArrayList使用在查詢比較多，但是插入和刪除比較少的情況，而LinkedList用在查詢比較少而插入刪除比較多的情況

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